一種直下式LED背光源的設計方案

　引 言

　　液晶顯示器主要由LCD（液晶面板）和背光源組成。因為LCD本身不發(fā)光，所以LCD需要通過外部光源實現(xiàn)透射或者反射顯示。現(xiàn)有的LCD大多數(shù)是帶有背光源的透射型器件，背光源的發(fā)光特性將直接影響到LCD顯示器件的畫面品質，因此，背光源是液晶顯示器非常重要的組成部件。

　　價格低廉，技術成熟的CCFL（冷陰極燈光管）仍是現(xiàn)有液晶顯示器件背光源的主要光源。但LED（發(fā)光二極管）作為顯示器件應用的領域也越來越廣，尤其是在液晶電視的功能越來越強，結構越來越美觀的形勢下，LED應用于液晶電視的各個部分，并在迅速的更新，高亮度、高品質、多功能是目前新產(chǎn)品的一個主要目的。

　　LED背光源目前大致可以分為直下式和側光式兩種。直下式是在液晶顯示器的整個背面全部設計LED燈：側光式是在液晶顯示器的邊緣設計LED燈。一般情況下，在30in以上的大尺寸液晶電視中應用直下式背光源，30in以下則可用側光式背光源。

　　本文所設計的直下式LED背光源，尺寸為47in,內容涉及了背光源結構和電路設計，包括對LED燈的排布進行設計，這些基于電路板來實現(xiàn)。同時，電路板的尺寸、形狀、元器件安排則根據(jù)背光源的結構來確定。安裝完電路板之后，再在上面蓋上所需的光學膜材，并安裝各種構件，以組裝成一個完整的背光源。

　　1 與CCFL技術的對比分析

　　1.1 CCFL的特點

　　CCFL是填充了惰性氣體的密封玻璃管，當在管上加高電壓時，氣體電離產(chǎn)生紫外（UV）光，UV光激勵內部磷光粉涂層，產(chǎn)生可見光。

　　CCFL具有的特點包括白光源、低成本、長壽命（大于25,000小時）、高電壓驅動、含有有毒氣體汞。

　　目前，以CCFL作為背光源是液晶電視的主流。但是CCFL存在一個本質的缺點，即能夠達到的色域（即電視機的色彩表現(xiàn)范圍）較小，普通的CCFL一般只能夠達到NTSC（美國國家電視系統(tǒng)委員會）色域標準的72% ,而且它含有汞這種有毒氣體，不符合綠色環(huán)保的要求。

　　1.2 LED的特點

　　LED作為新的發(fā)光源有很多優(yōu)點，例如節(jié)能、環(huán)保、尺寸小、反應快速、壽命長等。

　　LED作為背光源最顯著的優(yōu)點是可以提供前所未有的色彩還原性，通過選擇合適短波長的LED和與之相配的彩膜，LED背光源的色彩還原范圍可以達到美國國家電視系統(tǒng)委員會標準的105% ,甚至可以達到1 20% 以上。在畫質上，LED背光源顯示得更加鮮艷和明亮。

　　但是LED也有一些缺點，首先是價格，在大尺寸范圍內，LED背光源的價格是CCFL背光源的3~5倍左右：其次是發(fā)光效率，目前商用的LED發(fā)光效率最高的約為60~801m/W ,而CCFL的發(fā)光效率約為80~1001m/W ;最后就是散熱，對于大尺寸的背光源來說，LED工作時會散發(fā)出大量的熱。

　　不過隨著技術的發(fā)展，LED的不足正在逐步改善：

　　1）發(fā)光效率。由于CCFL是圓柱形，它所發(fā)出的光是無方向性的。當它放在LCD屏幕下方時，盡管采用半圓形反光鏡，仍然有相當多的一部分光被浪費掉了。而LED通常采用側光輻射，它的光能比較有效地被利用。因此從總體來看，它的效率仍然比CCFL要高，而且LED的發(fā)光效率還在逐年提高；2）動態(tài)背光技術的提出，不僅解決了散熱問題，而且還得到了亮度均勻、降低功耗等一系列的好處。

　　2、 LED背光源的設計

　　本文設計了一臺47in的LED背光源。由于背光源所需要的亮度較大，使用的LED數(shù)目很多，所以采用直下式背光源結構。

　　在進行LED背光源設計的時候，首先要做的就是對LED進行選擇，針對液晶屏上使用的彩膜選擇適合的LED,再進行電路設計。本設計采用的是小功率、RGB三色的LED。

　　如圖1所示，電路板上由LED燈組、連接器、電路芯片、安裝孔組成。其中每個LED燈組是由R、G、B三顆不同顏色的LED燈組成，LED燈組為一個發(fā)光單元，如圖2所示。

圖1 LED燈條（1.電路板：2.綠色LED;3.紅色LED;4.藍色LED;5.連接器；6.電路芯片；7.安裝孔）

圖2 LED 燈組

　　由于背光源是一種均勻的面光源，采用LED作為發(fā)光器件，就必須計算好LED之間的距離，即圖2中表示出的d ,這樣才能夠更有效地混光、混色，不產(chǎn)生光斑。本設計是采用RBG三顆LED燈，呈三角形分布，d1=6mm,對于47in的背光源，共使用了1,008個這樣的單元，以42×24矩陣。

　　根據(jù)色溫和亮度的計算，設計LED的電流為紅色23mA、綠色55mA、藍色40mA.每個單元進行單獨驅動，采用恒流驅動方式，驅動芯片采用德州儀器（T1）的TLC5941。

　　由原理圖3可以看出，電源電路給TCL5941芯片提供電源的同時給LED燈組提供點亮電壓。控制信號給TCL5941提供控制信號，TCL5941根據(jù)接收到的控制信號的要求對LED的亮度進行控制。

圖3 驅動電路原理圖

　具體的電路圖如圖4、5、6所示，這里需要說明的是，所有的圖紙都是用Altium Designer6軟件繪制。

圖4 電源電路圖

圖5 TCL5941電路圖

圖6 控制電路圖

　　3 、制 作

　　電路板安裝在背光源的鋁背板上，安裝情況如圖7所示。在電路板上鋪上底反板，底反板的顏色為白色，有利于反光。

圖7 電路板的整體安裝

　　連接器是LED用來和背面的電路板進行電路連接的，它的管腳根據(jù)LED單元來確定。電路板的材料可以根據(jù)散熱要求制定，為了更好的散熱，圖中電路飯采用的是鋁基電路板，電路板的形狀根據(jù)安裝要求沒計，顏色采用白色，利于LED混光。

　　在電路板上面覆蓋光學膜材，再固定上框架。其中電路芯片一部分在LED燈的電路板邊緣，一部分左背板的后面。電路板上的連接器用來與外面的驅動芯片相連。具體結構如圖8的結構剖面圖所示。

圖8 背光源的整體結構圖

　　4 、結果與測試

　　LED點亮后得到了高亮度、效果好的一個背光原，效果實拍對比如圖9所示。

圖9 （左）點亮的背光源，（右）未點亮的背光源。

　　加上液晶屏之后與CCFL背光源的測試效果如圖10所示。

圖10 （左）LED 背光源，（右）CCFL背光源。

　　采用9點測試，測試儀器為BM-7.如圖11、表1、圖12所示。

圖11 9點測試。

表1 背光源光學測試結果

圖12 通過液晶屏的色彩還原性測試結果。

　　通過測試結果可以看出， 中心亮度達到11,230nits,均勻性達到90%以上，具體為96.26%.

　　還原性達到了128%以上，由于液晶屏表面彩膜的限制，液晶模組的色彩還原性只有10O~105%左右，要想進一步提高色彩表現(xiàn)力，一方面可以選擇匹配的彩膜，另一方面就是用LED作為圖像的最后總顯示光源，另外，基于場序彩色原理的無彩膜技術也是方法之一。

　　5、 結論

　　所做的47in LED背光源達到了中心亮度11,230nits、整體功耗178W、均勻度96.26% 、色彩還原性128.15% ,具有很高的性能。LED背光源看上去好像沒有什么太復雜的技術，只要把LED點亮就可以，但真正應用到液晶電視中就涉及到很多非常復雜的技術。要研究出適合量產(chǎn)的大尺寸背光源，需要液晶面板廠家、背光源廠家、電視機廠家的共同合作。